ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ
, макропористый высокоуглеродистый продукт, получаемый пиролизом древесины
без доступа воздуха. Структура и св-ва угля определяются т-рой пиролиза. Пром. Д. у., получаемый при конечной т-ре 450-550 °С, - аморфный высокомол. продукт, включающий алифатич. и ароматич. структуры; состав: 80-92% С, 4,0-4,8% Н, 5-15% О. Д. у. содержит также 1-3% минер. примесей, гл. обр. карбонатов и оксидов К, Na, Ca, Mg, Si, Al, Fe. Кажущаяся плотность елового угля составляет 0,26, осинового - 0,29, соснового - 0,30, березового - 0,38 г/см3; истинная плотность Д. у. 1,43 г/см3; пористость 75-80%; уд. теплоемкость 0,69 и 1,21 кДж/(кг.К) соотв. при 24 и 560 °С; теплопроводность 0,058 Вт/(м.К), теплота сгорания 31500-34000 кДж/кг, уд. электрич. сопротивление 0,8.108 0,5.102 Ом.см. Д. у. обладает парамагнитными св-вами, обусловленными присутствием стабилизир. макрорадикалов (парамагнитных центров ПМЦ) - высокореакционноспособных концевых радикалов Rк* и менее реакционноспособных срединных радикалов Rcp*, макс. концентрации к-рых достигаются соотв. при 550 и 325 °С.
При термообработке Д. у. (400-900 °С) без доступа воздуха в результате р-ций Rк + RH : RкH + Rcр*, Rср* : Rк + CO + CО2 + H2 + СmНn и R* + R* : R-R происходит уплотнение его структуры, сопровождаемое убылью массы (до 18%) и выделением смеси газов, содержащей (в % по объему) от 12,7 до 0,7 СО, от 8,5 до 4,5 СО2, от 36,5 до 67,5 Н2, от 45,0 до 24,0 углеводородов (преим. СН4). Снижаются доля алифатич. структур, водорода (до 1,5%), кислорода (до 4,5%), концентрация ПМЦ (до 1,7.1018 спин/г), уд. электрич. сопротивление (до 0,5 Ом.см). Повышаются доля ароматич. структур и углерода (до 95%), степень кристалличности, истинная плотность (до 1,97 г/см3).
Присутствие макрорадикалов обусловливает высокую реакц. способность Д. у. по отношению к кислороду. Так, свежеприготовл. Д. у. при 30-90 °С за 1 ч хемосорбирует из воздуха 0,5-2% (от массы угля) кислорода; одновременно из угля выделяются низкомол. продукты, гл. обр. вода (0,3-1,5%).
На воздухе развивается цепной разветвл. процесс автоокисления Д. у.: Rк* + О2 : RкOO*; RкOO* + RH : RкOOH + Rср*, Rср* + О2 : RсрОО*, RсрОО* + RH : RcpOOH + Rсp*, RcpOOH + RH : RO* + R* + H2O и R* + R* : R-R. В результате может произойти самовозгорание Д. у., если к.-л. из параметров процесса (концентрация ПМЦ, т-ра, концентрация О2 и геом. размеры массы угля) превысит нек-рую критич. величину. Чтобы избежать этого, Д. у. стабилизируют, выдерживая слой угля высотой не более 60 мм при 50-80°С не менее 10 мин, т. е. в условиях, когда ни один из параметров не превышает критич. величину.
Д. у. получают пиролизом древесины в стальных вертикальных непрерывно действующих ретортах производительностью 100-2200 кг/ч, а также в разл. печах. Выход Д. у. в пересчете на нелетучий углерод составляет 21-25% от безводной древесины.
В СССР Д. у. получают из древесины твердолиств. пород, березы или из смеси древесины твердолиств. и мягколиств. пород. Он должен содержать не более 3% золы, не более 6% влаги, не более 7% частиц размером менее 12 мм. Массовая доля нелетучего углерода в Д. у. должна составлять 77-90%. Перспективно получение Д. у. из измельченной древесины с катализатором, ускоряющим процесс в неск. раз и повышающим выход угля на 30-40%.
Широко применяется крупнокусковый (более 12 мм) Д. у. из твердолиств. пород древесины, имеющий наиб. высокую мех. прочность. Он используется в качестве сырья для получения активного угля, CS2, окисленного Д. у., карбюризатора, в качестве восстановителя в произ-ве кристаллич. Si, черных и цветных металлов, проволоки и др. Мелкий Д. у. может служить подкормкой животным, его используют также для получения бытового топлива - древесноугольных брикетов.
Окисленный Д. у. (Д. о. у.) получают окислением Д. у. воздухом в условиях, когда ни один из параметров окисления не превышает критич. величину. На пов-сти Д. о. у. (углеродного ионообменника) содержатся функц. группы - карбоксильные, гидроксильные, карбонильные, хинонные, пероксидные и др. Статич. ионообменная емкость по NaOH составляет 1,0-8,0 м2.экв/г. Д. о. у. содержит значительно больше кислорода (18-40%), чем Д. у., но меньше углерода (55-75%) и водорода (1,5-4,0%). Зольность его такая же, как у Д. у. (до 3%), но после обеззоливания минер. к-той она не превышает 0,4%. Кажущаяся плотность Д. о. у. 0,45-0,52 г/см3, истинная - 1,5-1,9 г/см3, пористость 75-80%, уд. электрич. сопротивление 2,1.108-1,5 3 1011 Ом.см. В зависимости от характера поверхностных функц. групп, их количеств. соотношения и формы (водородной или катионзамещенной) Д. о. у. проявляет комплексо-образующие, ионообменные, электронообменные или каталитич. св-ва. В сравнении с селективными ионообменными смолами они обладают рядом преимуществ: термостойки (до 300 °С), исключительно радиационно- и химстойки (не растворяются, не набухают и не слипаются во всех средах, в т. ч. в щелочах), нетоксичны.
Д. о. у. используют для получения особо чистых в-в, напр., при глубокой очистке реактивов от примесей катионов переходных металлов, щел.-зем. металлов, как катализатор переэтерификации в произ-ве жиров, инверсии cахаров и др.
Древесноугольный карбюризатор - твердый гранулированный продукт, состоящий гл. обр. из дробленого Д. у., карбонатов щелочных (в осн. К и Na) или щел.-зем. (гл. обр. Ва и Са) металлов (10-20%). Его используют для цементации стальных изделий путем насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Введение в карбюризатор разл. добавок, напр., наводороженного железа, мочевины, повышает скорость цементации в 2 раза. Для удержания добавок на частицах угля часто используют связующее (крахмал, поливинилацетатную эмульсию, мазут, мелассу и др.).
Мировое произ-во Д. у. более 5 млн. т/год, в т. ч. в СССР ок. 200 тыс. т/год (1986).
Лит.: Завьялов А. Н., Калугин Е. Н., "Химия древесины", 1978, № 4, с. 88-92; Древесный уголь. Получение, основные свойства и области применения древесного угля, М., 1979; Тарковская И. А., Окисленный уголь, К., 1981.
А. Н. Завьялов.
|
